DE3810702A1 - Phasenstabilisierter, -gekoppelter schwingkreis - Google Patents

Phasenstabilisierter, -gekoppelter schwingkreis

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Description

Die Erfindung betrifft ein kontaktlos arbeitendes Energie- und Datenübertragungssystem, bestehend aus Mikrostation, nachfolgend MS genannt, und Mikroeinheit, nachfolgend ME ge­ nannt.
In unterschiedlichen Anwendungen werden Datenträger und Da­ tengeräte z.B. in Form von Chipkarten mit integrierten elek­ tronischen Bauteilen eingesetzt. Fast alle derart am Markt erhältlichen Systeme sind mit Kontakten zwischen Lesegerät und Karte ausgelegt. Kontakte wirken sich nachteilig bei Ver­ schmutzung, statischen Entladungen, Vibrationen und Abnutzung aus.
Diese Nachteile treten bei einem kontaktlos, induktiv arbei­ tenden System nicht auf.
Werden Energie und Signale berührungsfrei übertragen, liegt es nahe, eine solche Übertragungsfrequenz zu benutzen, daß auf seiten der ME Clocksignale zum Betrieb der in der ME verwendeten Elektronikbaugruppen verwendet werden können, die der Übertragungsfrequenz gleich sind oder mittelbar durch Unterteilung aus ihr gewonnen werden können. Außerdem soll die verwendete Frequenz internationalen Richtlinien evtl. Normen entsprechen. Damit muß die verwendete Frequenz kon­ stant gehalten werden. Dies widerspricht der Änderung (Alte­ rung, Bauteiletoleranz) von Bauteilen, welche im Schwingkreis zur Erzeugung der Übertragungsschwingung verwendet werden, womit bei derart geänderten Bauteileparametern die Eigenfre­ quenz des Schwingkreises nicht mehr mit der Steuerfrequenz übereinstimmt und damit die Energieübersetzung von MS zu ME verringert wird.
Als weitere Bedingung kommt hinzu, daß zwei Schwingkreise aufzubauen sind, welche aus Gründen eindeutiger Signal­ erkennung auf seiten der ME ein konstantes Phasenverhältnis zueinander haben müssen.
Diese geschilderte Problematik läßt sich im wesentlichen in die Forderung zusammenfassen:.
Es ist eine Schwingkreiselektronik bei vorgegebener, unverän­ derlicher, eingeprägter (d.h. gesteuerter) Frequenz so regel­ technisch während des Betriebes zu optimieren, daß bei Bau­ teiletoleranz und unterschiedlichen Umwelteinflüssen mög­ lichst die Eigenfrequenz gemäß der Steuerfrequenz ist. Dieses Ziel wird insbesondere dadurch erreicht, daß in einem Paral­ lelschwingkreis mit Hilfe von Kapazitätsdioden die parallel­ geschaltete Resonanzkapazität geregelt wird. Zu beachten ist zusätzlich, daß die Dioden in ihrem spannungsmäßig vor­ geregelten Arbeitsbereich benutzt werden.
Die hier dargelegte Erfindung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:.
  • 1. Die Mikroeinheit ist eine eigenständige elektronische Ein­ heit (z.B. Mikrocomputersystem), die kontaktlos an dafür vorgesehenen Mikrostationen betrieben werden kann.
  • 2. Die Mikroeinheit benötigt für den Betrieb in einer Mikro­ station keinen eigenen Oszillator, da der Verarbeitungstakt aus der Energieübertragung gewonnen wird.
  • 3. Die MS als auch die ME sind derart konstruiert, daß ein Betrieb des Systems unabhängig von der Lage der ME in der Aufnahmevorrichtung der MS, unter Berücksichtigung der mechanischen Passung, gewährleistet ist.
  • 4. Die Energie- und die bidirektionale Datenübertragung zwi­ schen Mikrostation und Mikroeinheit geschieht kontaktlos nach dem Phasensprungverfahren Patent Nr. P34 47 560.5 und dem Synchronschalterprinzip.
  • 5. Die für die induktive Energiekopplung notwendige Treiber­ stufe in der Mikrostation wird mit einer Regelstrecke betrieben, die eine einfache Fertigung einer Mikrostation erlaubt und alle kritischen Einflüsse einer induktiven Ubertragung herabsetzt.
  • 6. Die Mikroeinheit kann gleichzeitig zu ihrer elektrischen Funktion nach Anspruch 1 gleichfalls mit einem Magnet­ streifen ausgerüstet sein und als Magnetkarte arbeiten, ohne daß eine Störung der Magnetstreifenablesung bzw. induktiven berührungslosen Signalübertragung auftritt. Für die sichere Arbeitsweise und den Aufbau einer indukti­ ven Energie- und Datenübertragungsstrecke müssen mehrere Parameter eingehalten werden. Diese Forderung ergibt sich aus den physikalischen Grundlagen, da für ein magnetisches Feld, welches als Transformationsmedium benutzt wird, immer Ort, Raum und Richtung zu berücksichtigen sind.
Der nachstehende Text beschreibt ein Verfahren, mit dem es möglich ist, alle problematischen Parameter, die bei der induktiven Übertragungsstrecke vorkommen, zu eliminieren.
Die induktive Übertragungsstrecke dieses Systems gliedert sich in die wesentlichen Merkmale.:
  • - Energieübertragung
  • - Regelkreis
  • - Magnetstreifenverträglichkeit
  • - Datenübertragung
  • - Lagenvarianz
  • - Taktgenerierung,
Energieübertragung
Die Energie-Transformation von der Mikrostation zur Mi­ kroeinheit, z.B. Chipkarte, geschieht induktiv über zwei Spulen in einem Frequenzbereich, der in der Größenordnung des benötigten Systemtaktes für die Mikroeinheit liegt, da der Systemtakt für die ME, z.B. Mikrocomputer, direkt aus der Übertragungsfrequenz abgeleitet wird, so daß kein Oszillator auf der ME erforderlich ist.
Die Energieaufbereitung erfolgt in zwei frequenzgekoppel­ ten Schwingkreisen (Bild 1: T 1, S 1 und T 2, S 2) bei einer Frequenz von beispielsweise 6 MHz.
Die Ferritkernspulen der Schwingkreise beinhalten einen Luftschlitz, in den die jeweiligen flächigen Spulen S 3 und S 4 der ME eingeführt werden. Die magnetische Durchflutung ist damit senkrecht zu den flächigen Spulen. Die zwei Schwingkreise arbeiten mit einer geregelten Pha­ senverschiebung von +/-90° gegeneinander.
Die Verwendung von Schwingkreisen hat den Vorteil, daß relativ wenig Energieaufwand für den Betrieb des Systems erforderlich ist, wenn diese sehr stark selektiv und mit Resonanzüberhöhungen, d.h. in der Nähe der Eigenresonanz, arbeiten.
Äußere Einflüsse, Bauteilstreuungen und unterschiedliche ME führen im einfachen Aufbau dazu, daß die Kreise S 1 und S 2 verstimmt werden. Die Folge davon wäre:.
  • - zu wenig Energie für die ME
  • - die erforderliche 90°-Phasendifferenz zwischen S 1 und S 2 ist nicht gegeben.
Diese Mängel, die zu Funktionsstörungen führen könnten, werden dadurch behoben, daß jeder Kreis S 1 und S 2 in einem eigenständigen Regelkreis gleicher Frequenz aufgebaut ist.
Regelkreis
Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Regelkreises. Der Regelkreis macht sich die physikalische Eigenschaft des Schwingkreises zunutze, daß im jeweils angestrebten Resonanzfall der Kreis S 1/ S 2, Bild 2, ausschließlich als realer Widerstand wirkt. In diesem Fall ist die Phasenlage der Spannungen zwischen Kollektor und Basis des Treiber- Transistors T, Bild 2, genau 180°. Sowie eine Verstimmung des Kreises auftritt, ist die Bedingung Uc zu Ub = 180° (Bild 3) nicht mehr gegeben.
Die Phasenlage des Kreises wird mit der Spannung Uc abge­ griffen. Ein übersteuerter MOS-Transistor TM, Bild 2, erwirkt eine Pegelanpassung an den mit Niedervolt arbei­ tenden Logikbaustein U 1, einem Exclusiv- Oder- Gatter, (gleichbedeutend mit einem PLL = Phase-Look-Loop). Die daraus gewonnene Spannung Ux wird mit Up, einer in der Schaltung ohnehin vorhandenen und vom Oszillator, abgelei­ teten Spannung, Bild 1 (Q 2 oder Q 3) und Bild 2 unten (Up = Ub - 90°), verglichen. Dieses für einen Kanal erforderli­ che Referenz-Signal Up, z.B. Q 2 (Bild 1), wird vom jeweils anderen Kanal, z.B. Q 3 (Bild 1), gewonnen, womit kohä­ rente Signalverläufe zur Regelung herangezogen werden. Dadurch ist gewährleistet, daß beide Schwingkreise die­ selbe Frequenz bei konstanter Phasenverschiebung einhal­ ten.
Das symmetrische Tastverhältnis von Uf (Bild 3, Fall A), welches sich nur bei abgeglichenem Kreis einstellt, be­ wirkt am Integrationsglied R 3, C 3 (Bild 2), daß die Span­ nung Un = Uv/2 ist. Der nachgeschaltete OP 1 vergleicht Un mit Uv/2 und ist über seine Verstärkung so eingestellt, daß eine Anpassung der Regelspannung Ud an das Großsignal­ verhalten des Kreises gegeben ist. Wenn Ux = Ub +/- 180°, ist Un = Uv/2. Der Kreis arbeitet im Resonanzpunkt (Bild 4).
Jede Verstimmung und Ungleichheit von Ux ungleich Ub +/- 180° (Bild 3, Fall B und Fall C) führt dazu, daß Un ungleich Uv/2 ist und daß der Kreis über Ud nachgestimmt wird.
Der Eingriff in das Resonanzverhalten des Kreises erfolgt mit den spannungsabhängigen Kapazitätsdioden KD 11 + KD 12 (Bild 2) über die Steuerspannung Ud. Entgegen dem Abstimmverfahren bei Filtern können in diesem Fall die Dioden aufgrund ihrer Anordnung in der Schaltung durch ihren gesamten Kennlinienbe­ reich C = f(Ud) gefahren werden (Bild 4). Diese Möglichkeit resultiert aus dem Großsignalverhalten des Schwingkreises, das erforderlich ist, um einen möglichst hohen Strom in der Übertragungsspule L 1 (Bild 2) fließen zu lassen, um so ge­ nügend Energie auf die Mikroeinheit transformieren zu können. Die Kondensatoren C 11 und C 12 arbeiten als Spannungsteiler, um die zulässige Sperrspannung der in Serie geschalteten Ka­ pazitätsdioden KD 11 und KD 12 (Bild 2) nicht zu überschreiten.
Die Kapazitäts-Dioden haben für die Funktion C =f(Ud) (Bild 4, Kurve 3) eine gekrümmte Kennlinie, die zu Verzerrungen im Ausgangssignal führen könnte. Diese Verzerrungen werden umso stärker, je weiter die Kennlinie ausgesteuert wird. Aus diesem Grund werden zwei Kapazitätsdioden (KD 11, KD 12, Bild 2) wechselstrommäßig antiparallel in den Kreis ge­ schaltet, so daß sich die Verzerrungen im Schwingkreis aufheben.
Der vorgestellte Regler nach Bild 2 wird zweifach für die Kreise S 1, T 1 und S 2, T 2 (Bild 1) aufgebaut.
Vorteile:
  • - Parameteränderungen werden ausgeregelt
  • - Umwelteinflüsse werden ausgeregelt
  • - Die für die Phasenmodulation erforderlichen 90° zwischen S 1 und S 2 (Bild 1) werden überwacht und gehalten
  • - Die Verlustleistung in den Kreisen wird auf ein Minimum beschränkt.
Nachfolgend beschriebener Funktionsablauf zeigt das Regelver­ halten auf:
Durch eine angenommene Einwirkung, z. B. Bauteiltoleranzen, Betrieb von unterschiedlichen Mikroeinheiten, soll sich der kapazitive Anteil im Schwingkreis vergrößert haben. Die Ei­ genresonanzfrequenz des einzelnen Kreises mit Spule und Kon­ densator sinkt in diesem Falle. Da aber von außen durch den Treiber eine feste Frequenz vorgegeben wird, ändert sich die Phase und damit auch die Amplitude (siehe Bild 4).
Die Phase der Spannung Ux wird gegenüber der Spannung Up mehr als 90° Phasendifferenz nacheilen (Fall B, Bild 3). Der Mit­ telwert des Signals Uf (Un) steigt. Durch den Vergleich mit Uv/2 (Uv = Versorgungsspannung) steigt die Regelspannung Ud. Wenn Ud steigt, fällt gleichfalls die Stellkapazität und wirkt der eigentlichen Verstimmung des Kreises entgegen (siehe Bild 4).
Die gleiche Betrachtung, nur mit entgegengesetztem Regelver­ halten, kann für den Fall C der induktiven Verstimmung (Bild 3) angestellt werden.
Der realisierte Regelkreis nach Bild 2 beinhaltet eine zu­ sätzliche Funktion, die erforderlich ist, da der Kreis S 2 (Bild 1) durch das Exclusiv-Oder-Gatter "5", mit den an die ME zu übertragenden Daten, Phasenwechsel von 180° erfährt.
Diese Phasenwechsel dürfen nicht zu einer Änderung der Re­ gelspannung Un führen, da hierdurch der Kreis verstimmt wür­ de. Die Beschaltung der Stufe T 2, S 2 ist gleich der Stufe T 1, S 1, (Bild 1) mit einer Ausnahme. Die Stufe T 2, S 2 wird, wie aus Bild 2 ersichtlich, mit dem phasenumschaltbaren Signal TM 2 betrieben. Die Referenzphase für den Vergleich im EXCLU- SIV-ODER-Gatter U 1 wird von Q 2 gewonnen. Im Falle einer Daten­ übertragung wird zur Konstanterhaltung der Regelspannung, gleichfalls wie das Signal TM 2, auch das Signal Q 2 über ein EXCLUSIV-ODER-Gatter U 2 invertiert. Kleine, insbesondere kurzfristige Störungen während des Umschaltens machen sich nicht bemerkbar, da die Zeitkonstante T = R 3 C 3 ausreichend groß gewählt werden kann.
Magnetstreifenverträglichkeit
Bei Verwendung einer Chipkarte mit Magnetstreifen als ME erfährt die magnetische Codierung auf dem Magnetstreifen keine Beeinflussung.
Diese Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, daß der magne­ tische Fluß mit einer Frequenz f < 1 MHz die Karte senkrecht durchflutet. Die magnetischen Teilchen des Magnetstreifens haben aufgrund ihrer Trägheit und Richtung keine Möglich­ keit, ihre Lage zu verändern.
Datenübertragung
Wie eingangs erwähnt, arbeiten die beiden Schwingkreise mit einem Phasenunterschied von +/- 90°. Im Ruhezustand (keine Datenübertragung) arbeitet der Schwingkreis S 1 immer 90° vor­ eilend gegenüber Schwingkreis S 2. Bei einer Datenübertragung zur Mikroeinheit wird S 2 um 180° geschaltet, so daß dieser daraufhin 90° voreilend gegenüber Kreis S 1 ist. Dieser Vor­ gang wird von der ME ausgewertet.
Eine von der ME zur MS gerichtete Datenübertragung geschieht durch eine erhöhte Stromaufnahme seitens der ME. Über den Innenwiderstand der Ouelle in der Mikrostation kann ein Span­ nungseinbruch detektiert werden.
Dieses Verfahren wird durch das Patent (Nr. P 3 44 756.05) be­ schrieben.
Lagenvarianz
Wie unter Punkt 3 der Ansprüche aufgeführt, ist die Funktion des Systems nicht von der Lage der ME in der Auf­ nahmevorrichtung abhängig. Hierzu wurden die jeweils 2 benö­ tigten Spulen der ME und MS bei dem Chipkartensystem, wie auf Bild 6 dargestellt, angebracht (siehe Gebrauchsmusterantrag Nr. G 87 16 548.1). Dadurch ist gewährleistet, daß, gleichgültig wie die ME vor Einführung in die Aufnahmeeinrichtung der MS gedreht wurde, sich die 2 Spulen der ME den 2 Spulen der MS gegenüberliegen, wodurch die Funktion immer gewährleistet und das Handling des Systems vereinfacht ist.
Taktgewinnung:
Auf der Mikroeinheit kann ein Rechenwerk, Mikrocomputer etc. untergebracht sein. Der erforderliche Verarbeitungstakt wird direkt oder geteilt aus der Frequenz der Energieübertragung gewonnen (siehe Bild 7). U 3 und U 4 gewinnen aus der sinus­ förmigen Analogspannung der Empfängerspulen ein Digitalsig­ nal. Für die Mikroeinheit ist kein eigener Oszillator erfor­ derlich, welches zur wesentlichen Vereinfachung der ME bei­ trägt. Grundvoraussetzung für den einwandfreien Betrieb eines Rechenwerks in einer ME ist, daß der Verarbeitungstakt sym­ metrisch und ohne Unregelmäßigkeiten zur Verfügung steht. Da die ME in einer beliebigen Einschublage in der MS arbeiten soll, muß dafür Sorge getragen werden, daß der Takt von der jeweils nichtmodulierten Spule abgenommen wird (Bild 6).
Ein Phasensprung wird immer, wie aus Bild 1 ersichtlich, über die Spule S 2 erfolgen. Mit dieser und der weiteren Grund­ voraussetzung, daß ohne Datenmodulation Spule S 1 immer Spule S 2 um 90° voreilend ist, kann seitens der ME eine Erkennung in beliebigen Betriebslagen erfolgen.
Hierzu ist die Schaltung nach Bild 7 in der ME aufgebaut.
Fall 1 und Fall 2 zeigen die verschiedenen Signalverläufe in unterschiedlichen Betriebslagen (siehe hierzu auch Bild 6).
Fall 1 zeigt, daß U 3 voreilend gegenüber U 4 ist:
Die Phasenmodulation erfolgt später auf U 4,
Die Taktgewinnung erfolgt aus U 3.
Fall 2 zeigt, daß U 4 voreilend gegenüber U 3 ist:
Die Phasenmodulation erfolgt später auf U 3.
Die Taktgewinnung erfolgt aus U 4.
Das Flip-Flop U 5 erkennt am Ausgang eine Logisch "1" für Fall 1 und eine Logisch "0" für den Fall 2. Etwas zeitverzö­ gert, wenn sich die Betriebsspannung der ME aufgebaut hat und eine Verzögerungszeit von wenigen Mikrosekunden abgelau­ fen ist, erfolgt eine positive Resetflanke am Flip-Flop U 6. Siehe hierzu auch Bild 5.
Dieser Vorgang geschieht immer nur einmalig mit Betriebs­ beginn, wenn noch keine Daten übertragen werden.
Das Signal UL liegt am Steuereingang des Multiplexers. Im Fall 1, UL = 1, wird Kanal I 1 durchgeschaltet, während für den Fall 2, UL = 0, Kanal I 0 durchgeschaltet wird.
Diese Zustände bleiben für die gesamte Betriebsdauer bestehen,
Nach dem gleichen Prinzip der Taktzuordnung wird auch der Pegel und Grundzustand der Datenleitung DR (Bild 7) fest­ gelegt, mit dem Unterschied, daß hierfür nur eine Pegelfest­ legung des Datensignals erfolgt und kein Multiplexer erfor­ derlich ist.

Claims (1)

  1. Einrichtung zur berührungslosen Signal- und Energieübertra­ gung, bestehend aus einem unbeweglichen Teil (Mikrostation, abgekürzt MS) und einem bewegbaren Teil (Mikroeinheit, abge­ kürzt ME), wobei die Schwingung eines Oszillators in zwei getrennte Schwingungen Q 2, Q 3 aufgespaltet ist und der einen Schwingung Q 3 in Abhängigkeit von einem Datenstrom TM 1 eine Phasenverschiebung gegenüber Q 2 aufgezwungen wird und diese phasenverschobene Schwingung TM 2 über ein erstes Spulenpaar (S 2, S 3) und die andere Schwingung Q 2 über ein zweites Spu­ lenpaar (S 1, S 4) der ME zugeführt wird und außerdem die Lei­ stungsübertragung mit Hilfe der beiden Schwingungen (Q 2, TM 2) über dieselben Spulenpaare (S 2, S 3; S 1, S 4) erfolgt, wobei in der ME die übertragenen Schwingungen einem Phasen­ vergleicher (IC 2, IC 3) zugeführt werden, welcher an der Pha­ senverschiebung die Daten aus dem Datenstrom wieder gewinnt, ferner erfolgt die Datenübertragung von der ME zur MS durch gleichzeitige Belastungsänderung an den beiden Spulen (S 3, S 4) der ME, wodurch gewährleistet ist, daß an einer der bei­ den Spulen (S 1, S 2) der MS auch bei vertauschter Zuordnung der Spulenpaare ein Nachweis der Belastungsänderung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß: die beiden in der MS befindlichen Schwingkreise S 1 bzw. S 2, bestehend jeweils aus der Induktivität L 1 bzw. L 2, den Kapa­ zitäten C 1, C 11, C 12 bzw. C 2, C 21, C 22, den Kapazitätsdioden KD 11, KD 12 bzw. KD 21, KD 22, welche phasenverschoben reso­ nanzstabilisiert sind, indem die beiden kohärenten Schwin­ gungen mit feststehender Phasenverschiebung für die Ansteue­ rung je eines Schwingungskreises über einen Transistor T als Treiber zur Verfügung stehen, und bei Resonanz eines Schwing­ kreises dieser als realer ohmscher Widerstand an seinem in Serie geschalteten Treibertransistor T wirkt, wodurch zwischen schwingungserzeugendem Signal Ub, an der Basis des Treiber­ transistors, und Spannungsabgriff Uc am Schwingkreis genau eine Phasenverschiebung von 180° besteht, welche bei Nicht-Resonanz von diesem Phasenwert abweicht, und die Abwei­ chung bei Vergleich mit dem Referenzsignal über geeignete Schaltglieder (TM, EX) in ein von der Phasenverschiebung ab­ hängiges Tastverhältnis einer Pulsserie gewandelt wird, und dieses Tastverhältnis über ein R,C Glied (R 3, C 3) integriert und der dadurch erhaltene Spannungswert mit einem Standardspannungswert verglichen wird und über einen Opera­ tionsverstärker (OP 1) die Kapazitätsdioden KD 11, KD 12 steuert, womit der Schwingungskreis auf seine eingespeiste Frequenz stabilisiert ist, und bei Anwendung desselben Ver­ fahrens auf einen zweiten Schwingkreis, ebenfalls bestehend aus Induktivität, Kapazitäten und Kapazitätsdioden sowie Treibertransistor, wobei als schwingungserzeugendes Signal der über die Induktivität L 2 eingespeiste kohärente phasen­ verschobene Teil zur Verfügung steht, auch dieser zweite Schwingkreis auf dieselbe Frequenz stabilisiert ist und somit beide frequenzstabilisierten Schwingungen eine definierte Phasenverschiebung zueinander haben, welche über L 1, L 2 der ME frequenzstabilisiert, phasenverschoben zur Verfügung stehen und eine Erkennung und Auswertung der Phasenverschiebung zulassen und aufgrund der Frequenzstabilität eine zeitdefi­ nierte, standardisierte Baudrate des Datenstrom gewährleisten.
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